基于云計算的數(shù)據(jù)中心容災(zāi)系統(tǒng)的建設(shè)

馬錫坤，吳艷君，王鵬

南京軍區(qū)南京總醫(yī)院 信息科，江蘇 南京 210002

云計算作為信息化建設(shè)的新理念、新技術(shù)、新模式，在發(fā)達國家已被確立為國家優(yōu)先發(fā)展戰(zhàn)略。近幾年，我國也相應(yīng)制訂了不同層次的云計算發(fā)展規(guī)劃，并在不同行業(yè)中得到推廣與應(yīng)用[1]。云計算平臺具有虛擬化、云存儲、分布式計算等特性，利用虛擬機構(gòu)建虛擬服務(wù)器集群，能夠有效地實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性，排除設(shè)備的單點故障，保障系統(tǒng)安全運行。然而任何系統(tǒng)在運行過程中，必然會受到來自不同層面的威脅，存在不同等級的風(fēng)險[2]，因此必須考慮容災(zāi)系統(tǒng)的建設(shè)。現(xiàn)就基于云計算的數(shù)據(jù)中心容災(zāi)系統(tǒng)的建設(shè)進行探討。

1 云計算數(shù)據(jù)中心和“雙活”

1.1 云計算數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心包括服務(wù)器、存儲系統(tǒng)、交換設(shè)備、安全平臺等內(nèi)容，是整個信息平臺的核心。基于云計算的數(shù)據(jù)中心使用“池”的概念，把各種IT資源都放在云計算平臺中統(tǒng)一管理，將各種資源實現(xiàn)整合，通過虛擬化技術(shù)形成標(biāo)準(zhǔn)化的虛擬計算池、存儲池、網(wǎng)絡(luò)池、安全池等資源池，每個池均可實現(xiàn)資源的動態(tài)調(diào)整，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬資源池中動態(tài)的資源調(diào)度，以達到調(diào)度過程中充分利用資源的能力[3]，實現(xiàn)平臺統(tǒng)一部署、資源按需配置、系統(tǒng)高度安全的新環(huán)境，提高信息資源利用率，提升信息系統(tǒng)的安全性，徹底消除傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器利用率低、系統(tǒng)可用性低、數(shù)據(jù)保護性差、運維管理困難等問題[4]。

1.2 “雙活”基本概念

出于災(zāi)備的目的，一般都會建設(shè)2個（或多個）數(shù)據(jù)中心。一個是主數(shù)據(jù)中心用于承擔(dān)用戶的業(yè)務(wù)，一個是備份數(shù)據(jù)中心用于備份主數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)、配置、業(yè)務(wù)等。主備數(shù)據(jù)中心之間一般有熱備、冷備、雙活3種備份方式。所謂“雙活”數(shù)據(jù)中心，區(qū)別于熱備、冷備的模式，前者2個數(shù)據(jù)中心都處于運行當(dāng)中，同時承擔(dān)用戶的業(yè)務(wù)，所以稱為“雙活”，主備2個數(shù)據(jù)中心互為備份，并且進行實時備份；后者是1個數(shù)據(jù)中心投入運行，另外1個數(shù)據(jù)中心處在不工作狀態(tài)，只有當(dāng)災(zāi)難發(fā)生時，生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心癱瘓，災(zāi)備中心才啟動。在雙活/多活數(shù)據(jù)中心下，對于前端用戶來講其實就是一個邏輯的大中心，能夠充分利用資源，避免了1個數(shù)據(jù)中心常年處于閑置狀態(tài)而造成浪費。

1.3 云計算和“雙活”的融合

在云計算技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過服務(wù)器虛擬化軟件和存儲系統(tǒng)虛擬化方案的結(jié)合，實現(xiàn)跨數(shù)據(jù)中心服務(wù)器自由流動的功能，增強應(yīng)用系統(tǒng)的靈活性，充分體現(xiàn)“雙活”的理念。運用虛擬化技術(shù)，將生產(chǎn)資源和容災(zāi)資源放在統(tǒng)一的資源池里，在業(yè)務(wù)高峰時或業(yè)務(wù)突發(fā)時，將容災(zāi)資源動態(tài)分配給生產(chǎn)應(yīng)用。由于虛擬機以及服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完全虛擬化，基于云計算的容災(zāi)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)幾乎零停機實時遷移，從而最大程度地降低任何由系統(tǒng)故障等災(zāi)難性事件帶來的威脅。在發(fā)生災(zāi)難時，能夠保證業(yè)務(wù)的連續(xù)性，利用備用系統(tǒng)透明地代替生產(chǎn)系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)透明的遷移[5]。

2 容災(zāi)系統(tǒng)的建設(shè)

容災(zāi)系統(tǒng)是指建立2套或多套功能相同的系統(tǒng)，互相之間可以進行健康狀態(tài)監(jiān)視和功能切換，當(dāng)一處系統(tǒng)因意外（如火災(zāi)、地震等）停止工作時，整個應(yīng)用系統(tǒng)可以切換到另一處，使得該系統(tǒng)功能可以繼續(xù)正常工作[6]。本文提出4種容災(zāi)預(yù)案，旨在利用各種技術(shù)和管理手段將災(zāi)難的影響化解。

2.1 基于高可用性的本地接管預(yù)案

本地接管預(yù)案指通過構(gòu)建云計算數(shù)據(jù)中心，在出現(xiàn)單點故障或設(shè)備主動維護時，各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)均實現(xiàn)本地高可用性（High Availability，HA）接管。經(jīng)過充分調(diào)研論證，我院采用VMware vSphere服務(wù)器虛擬化軟件、Cisco UCS統(tǒng)一計算系統(tǒng)、EMC存儲設(shè)備以及Vplex存儲虛擬化設(shè)備、F5負(fù)載均衡器、Deep Security趨勢服務(wù)器深度安全防護系統(tǒng)，構(gòu)建了1個全冗余架構(gòu)的醫(yī)院云計算數(shù)據(jù)中心，其結(jié)構(gòu)示意圖，見圖1。將8個刀片服務(wù)器整合成1個虛擬計算池、3臺存儲設(shè)備整合成1個虛擬存儲池、新增了1個虛擬網(wǎng)絡(luò)池和1個虛擬安全池。

云計算數(shù)據(jù)中心高度共享計算和存儲資源，以靈活安全的方式達到快速擴展和縮減的效果，將服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備完全虛擬化，使得正在運行的整個虛擬機能夠在瞬間從1臺服務(wù)器移到另1臺服務(wù)器上。虛擬機實際上是被封裝成了1個檔案文件和若干相關(guān)環(huán)境配置文件，通過將這些文件放在SAN存儲陣列上，可以讓不同服務(wù)器上的虛擬機都可以訪問到該文件，從而消除了單點故障[7]。只要虛擬機對應(yīng)的文件能夠恢復(fù)，那么在需要恢復(fù)時服務(wù)器就能夠恢復(fù)。然后，虛擬機的活動內(nèi)存和精確的執(zhí)行狀態(tài)可通過高速網(wǎng)絡(luò)迅速傳輸。由于網(wǎng)絡(luò)也被虛擬化，因此，虛擬機保留其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和連接，從而確保實現(xiàn)無縫遷移。數(shù)據(jù)中心的高可用集群由多個虛擬機組成，采用HA軟件檢測物理服務(wù)器的工作狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)故障時自動接管服務(wù)。同時HA軟件時刻監(jiān)控群集中是否有足夠的資源可用，確保資源池中始終有充足的資源，以便能夠在出現(xiàn)服務(wù)器故障時在不同的物理服務(wù)器上重啟虛擬機。

圖1 云計算數(shù)據(jù)中心結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 基于“雙活”的本異地互備預(yù)案

基于“雙活”的本異地互備預(yù)案是指利用裸光纖將生產(chǎn)中心和容災(zāi)中心的SAN網(wǎng)絡(luò)連接起來，建立負(fù)荷分擔(dān)、互為備份的異地“雙活”云計算數(shù)據(jù)中心。在前端應(yīng)用服務(wù)器與后端存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Storage Area Network，SAN）之間，加入一層存儲網(wǎng)關(guān)，前端連接服務(wù)器主機，后端連接存儲設(shè)備，實現(xiàn)異地數(shù)據(jù)復(fù)制。

“雙活”云計算數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)復(fù)制是通過存儲網(wǎng)關(guān)來執(zhí)行，相對于主機型遠程容災(zāi)來說，它的性能影響十分低。另外，通過存儲網(wǎng)關(guān)的虛擬化技術(shù)，可以整合前端異構(gòu)平臺的服務(wù)器和后端不同品牌的存儲設(shè)備。通過存儲網(wǎng)關(guān)，即存儲系統(tǒng)虛擬化設(shè)備，實現(xiàn)存儲卷跨數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)鏡像，并且通過虛擬化設(shè)備的分布式緩存一致性技術(shù)，實現(xiàn)虛擬卷的隨處訪問，即兩個數(shù)據(jù)中心的不同主機同時訪問同一個數(shù)據(jù)卷，可以將虛擬機隨時遷移至任意數(shù)據(jù)中心，切換時間接近于零。該方案可以跨數(shù)據(jù)中心搭建應(yīng)用系統(tǒng)，通過跨數(shù)據(jù)中心負(fù)載均衡設(shè)備，實現(xiàn)客戶端對應(yīng)用服務(wù)器訪問優(yōu)化，基于響應(yīng)速度實現(xiàn)負(fù)載均衡，確保隨時訪問到最優(yōu)的應(yīng)用服務(wù)器，提高整體應(yīng)用系統(tǒng)性能。

2.3 基于備份恢復(fù)的數(shù)據(jù)保護預(yù)案

數(shù)據(jù)安全包含兩個方面，一個是存儲系統(tǒng)硬件導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，稱為數(shù)據(jù)的物理錯誤；另一種情況是應(yīng)用程序、病毒、人為誤操作導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失，稱為數(shù)據(jù)的邏輯錯誤。在虛擬化存儲搭建完成后，完全可以確保在數(shù)據(jù)出現(xiàn)物理錯誤時數(shù)據(jù)不丟失、應(yīng)用不中斷；但如果是數(shù)據(jù)的邏輯錯誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失的話，就必須使用數(shù)據(jù)備份恢復(fù)解決方案。基于備份恢復(fù)的數(shù)據(jù)保護預(yù)案就是指通過建立高效的數(shù)據(jù)備份恢復(fù)系統(tǒng)，預(yù)防數(shù)據(jù)出現(xiàn)邏輯錯誤，從而起到保護數(shù)據(jù)的作用。備份恢復(fù)系統(tǒng)提供生產(chǎn)數(shù)據(jù)快照、磁帶備份或虛擬磁帶庫備份等多種形式[8]，日常全備和增量備份均直接通過遠程SAN備份到異地中心，用于嚴(yán)重事件的應(yīng)急恢復(fù)工作。

我院選用了Networker備份軟件和虛擬磁帶庫作為備份介質(zhì)，其LAN-FREE備份拓?fù)洌妶D2。數(shù)據(jù)備份流程如下：① 備份服務(wù)器發(fā)起備份；② 服務(wù)器作為備份客戶機將數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到備份介質(zhì)中。數(shù)據(jù)備份作為數(shù)據(jù)保護的最后一道屏障[9]，確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)崩潰時能夠快速恢復(fù)數(shù)據(jù)。備份數(shù)據(jù)一般存在大量的重復(fù)數(shù)據(jù)，在此情況下，備份數(shù)據(jù)的重復(fù)數(shù)據(jù)消除變得十分重要，既減少了備份和恢復(fù)的時間，也減少了備份介質(zhì)的需求，降低了備份系統(tǒng)搭建的資金投入[10]。

圖2 LAN-FREE備份拓?fù)涫疽鈭D

2.4 基于數(shù)據(jù)庫復(fù)制的系統(tǒng)切換預(yù)案

基于數(shù)據(jù)庫復(fù)制的系統(tǒng)切換預(yù)案是指利用數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)，在異地建立一套完整的與本地生產(chǎn)系統(tǒng)相當(dāng)?shù)膫浞輵?yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)本地出現(xiàn)意外（如壞數(shù)據(jù)塊、壞數(shù)據(jù)文件等）停止工作時，整個應(yīng)用系統(tǒng)可以切換到備份應(yīng)用系統(tǒng)。數(shù)據(jù)庫復(fù)制技術(shù)一般是由數(shù)據(jù)庫廠商或者第三方開發(fā)，基于數(shù)據(jù)庫日志或者數(shù)據(jù)流實現(xiàn)復(fù)制的技術(shù)。經(jīng)過實際測試驗證，我院采用DSG RealSync軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的異構(gòu)實時復(fù)制，把網(wǎng)絡(luò)中心機房主設(shè)備上的Oracle數(shù)據(jù)實時復(fù)制到門診機房的備用設(shè)備，實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)容災(zāi)[11]，其工作原理，見圖3。

圖3 DSG RealSync工作原理

DSG RealSync軟件復(fù)制原理是將源數(shù)據(jù)庫日志中發(fā)生變化的部分單獨提取出來，壓縮加密后通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠程的目標(biāo)數(shù)據(jù)中心，然后用SQL寫入目標(biāo)數(shù)據(jù)庫。這種方式的實時性更高，通常可以達到秒級甚至亞秒級；可以支持雙向復(fù)制，能夠用于雙活站點間的數(shù)據(jù)雙向?qū)崟r復(fù)制。雙活站點在實時復(fù)制的過程中，目標(biāo)數(shù)據(jù)庫一直處于活動狀態(tài)，可以訪問和分擔(dān)生產(chǎn)系統(tǒng)的服務(wù)。復(fù)制操作集中于對數(shù)據(jù)的改變，因此將對源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、源操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的影響最小化。復(fù)制實時準(zhǔn)確、非常快速，在源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)一個交易開始時就開始復(fù)制，保證了目標(biāo)系統(tǒng)和源系統(tǒng)的一致性。

3 結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展和技術(shù)的進步，加強信息化建設(shè)成為醫(yī)院現(xiàn)代化建設(shè)持續(xù)發(fā)展的必然趨勢[12]，而確保信息系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行和數(shù)據(jù)安全就成為醫(yī)院信息化建設(shè)的重中之重。容災(zāi)系統(tǒng)的建設(shè)就是以最合理的代價保護應(yīng)用數(shù)據(jù)的完整性和業(yè)務(wù)系統(tǒng)的連續(xù)性。信息化建設(shè)，任重而道遠，誰搶占了技術(shù)制高點，誰就能占據(jù)未來競爭的主導(dǎo)地位。當(dāng)醫(yī)院的信息化建設(shè)走向了一個新的層次，面臨各類法律法規(guī)、市場競爭、高質(zhì)量服務(wù)的新的要求時，能否有效建立災(zāi)難容災(zāi)體系就成了醫(yī)院進一步發(fā)展的里程碑。

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